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英国佩刀发动机可以用于新一代空天飞机

近日有消息说英国佩刀发动机成功完成冷却系统试验，标志着这种发动机研制取得了重大进展，为整机研制打下了坚实的基础。

根据相关消息，佩刀发动机它的冷却系统在速度为5马赫条件下，在0,05秒钟之内成功冷却温度高达1000度的气流，达到了预期目标。

佩刀发动机结构示意图，注意图下冲压燃烧室

佩刀发动机是英国为空天飞机研制新一代发动机，它主要目标是为高超声飞行器、空天飞机提供动力系统。现在航空涡喷发动机工作速度很难超过3马赫，火箭发动机几乎不能重复使用。而佩刀发动机成功将两种发动机结合在一起，共用涡轮泵、尾喷管等部件，形成涡轮/火箭发动机。考虑到飞行器高速飞行，佩刀发动机还装有若干个冲压燃烧室，也能够为发动机提供一定的推力。

佩刀发动机关键就是将涡喷发动机工作速度提高到5马赫，这样就可以给火箭发动机提供更大初始动能和高度，然后发动机转换成火箭模式，实现单级入轨。前面说过涡喷发动机工作速度很难超过5马赫，其中一个难题就是高速气流无法直接进入燃烧室燃烧，需要进行减速，在这个过程之中气动做功发热，气流减速过程之中温度会迅速升高。而涡喷发动机推力来源于气流进/排之间的温度差，进气流温度越高，发动机推力相应就越低。现在解决办法就是超燃冲压发动机，它让气流不经减速直接进入燃烧室燃烧，但是超燃冲压发动机难度太大，并且需要其他动力系统提供启动速度，动力系统非常复杂。

预冷器是佩刀发动机研制关键

佩刀发动机发展路线图

佩刀发动机选择技术路线对气流进行冷却，这样就能提高发动机进/排温度差，从而得到提高发动机推力，增加工作速度。这样优点就是发动机结构相对简单，减少体积和重量，这对于空天飞机来说是非常宝贵的。不过佩刀发动机难点就是发动机冷却，由于气流速度极高，从进气道到燃烧室距离又非常短，因此要求冷却系统能够在这极短时间之内完成对气流冷却，另外一方面又不能结霜，避免发动机管道堵塞，实现

起难度非常大。佩刀发动机采用液氦作为发动机冷却系统媒介，以避免氢脆现象，另外它的预冷器呈螺旋状，由大量金属管组成，这些微管道增大与空气接触的面积，提高热交换效率，可以有效冷却来流。按照工程技术人员的说法，佩刀发动机冷却器能在百分之一秒内，将气流从1000摄氏度冷却到零下150摄氏度，并且不会造成霜冻堵塞。

佩刀发动机可以实现单级入轨

由于佩刀发动机实现了涡轮发动机直接转换火箭发动机，飞行包线更加宽广，速度可以从0到20马赫，实现单级入轨。发动机不需要冲压发动机过渡，结构更加简单，体积和重量更低，比冲、推重比和油耗等方面性能都要优于涡轮/冲压发动机等组合发动机。正是它拥有上述优点，英国在过去30年时间之内一直坚持发展这种发动机，计划以佩刀发动机发展SKYLON空天飞机，实现单级入轨，SKYLON空天飞机长约 83.米，机身最大直径 6 米，翼展 25.米，空重 53 吨，可用推进剂质量 250吨，额定起飞质量约 325 吨。采用主推进系统由两台佩刀发动机组成，轨道和姿态控制由 2 台推力轨道机动发动机以及安装在后部的 32 台反作用控制系统完成。SKYLON空天飞机可以象普通飞机那样从普通机场起飞，佩刀发动机先在涡喷模式下将飞机加速到M5，高度接近3万米，然后转换成火箭发动机，实现单级入轨。由于佩刀发动机具备较高效能，所以美国、欧洲也计划引进佩刀发动机，研制高超声速飞行器和空天飞机。

这款空天发动机完成关键试验，能瞬间将1000度气流冷却到零下150度